模具表面激光強化處理的常用方法
模具表面激光強化處理的常用方法
激光相變硬化(LTH)是利用激光輻照到金屬表面,使其表面以很高的升溫速度迅速達到相變溫度而形成奧氏體,當激光束離開后,利用金屬本身熱傳導而發生“自淬火”,使金屬表面發生馬氏體轉變。與傳統淬火方法相比,激光淬火是在急熱、急冷過程中進行的,溫度梯度高,從而在表面形成了一層硬度極高的特殊淬火組織,如晶粒細化、高位錯密度等。其淬火層的硬度比普通淬火的硬度還高15%~20%。淬硬層深度可達0.1~2.5mm,因而可大大提高模具的耐磨性,延長模具的使用壽命。
激光相變硬化(LTH) 強化系統為一個具有多軸聯動的激光強化加工系統,它由3部分組成:第一部分為激光器系統,由激光頭、激勵電源、冷卻系統和諧振腔參數變換裝置組成;第二部分為光束傳輸與變換裝置,把激光束按加工要求引導到待處理零件表面,同時對激光束進行空間強度分布的變換,以滿足對模具表面不同受力部位進行有效的強化處理。光束經變換后即可在模具表面產生所需的強化單元,通過多軸聯動的數控系統即可對模具的三維曲面進行可控、快速和有效地強化處理;第三部分為計算機數控系統,控制激光工作頭和數控工作臺等多軸運動,其激光束相對于工件的運動軌跡決定了強化的帶形狀,以實現復雜模具表面的激光強化處理。
激光相變硬化強化處理工藝
模具工件加工表避面預處理涂層:當激光器確定后,金屬激光的吸收能力主要取決于其表面狀態。一般需激光處理的金屬材料表面都經過機械加工,表面粗糙度值很小,其反射率可達80%~90%,使大部分激光能量被反射掉。為了提高金屬表激光的吸收率,在激光熱處理前要對材料表面進行表面處理(常稱黑化處理),即在需要激光處理的金屬表面涂上一層對激光有較高吸收能力的涂料。
表面預處理的方法包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、噴涂料法、鍍膜法等多種方法,其中較為常用的是磷化法和噴涂料法。常用的涂料骨料有石墨、炭黑、磷酸錳、磷酸鋅、水玻璃等,也有直接使用碳素墨汁和無光漆作為預處理涂料的。對于有些低碳鋼材料,在其表面用炭黑粉末處理,在進行激光淬火時可起滲碳作用。我們采用上海光機所研制的黑化溶液,工藝處理方法簡單,可直接噴刷在模具工件表面,激光吸收率達90%以上。
激光相變硬化(LTH) 強化系統工藝參數優化設定:激光相變硬化工藝參數主要有激光器輸出功率P,光斑大小D及掃描速度v,在其它條件一定的條件下,激光硬化層的深度H與P、D、v有如下關系:H=P/(D.v)。為了得到最優工藝參數,基本方法是根據已有成功的資料,確定一個工藝參數范圍,再以P、D、v三個因子,各取3個水平,做出正交試驗表在試件上進行試驗研究。通過激光相變硬化實驗說明:在一般情況下,激光功率越高,硬化層越深;掃描速度越大,硬化層越淺。當激光功率越大,掃描速度增強,光斑直徑變小的工藝參數條件下,淬火層的硬度及硬化層深之間的關系逐漸增強。從中可看出,經激光處理后材料表面的硬度有較為顯著的提高。
模具硬化層剩余應力和耐磨性
在激光硬化處理過程中,金屬材料表面組織結構的變化及表面相對于材料內部溫差的產生和消失,必將產生殘余應力。殘余應力的大小和分布狀況對模具的實用性能有很大影響,激光硬化產生的殘余應力沿淬硬層深的分布情況由激光功率和上述工藝參數決定深淺和范圍面積大小。由此可見,激光相變硬化在模具表面產生較大的殘余壓應力,能有效地防止疲勞裂紋的產生,提高模具的疲勞壽命。模具表面的耐磨性能與模具材料的顯微結構、晶粒大小、硬度高低、表面狀態等多種因素有關,而這些因素又受激光相變硬化工藝參數的影響,因而激光相變硬化強化系統的工藝參數直接影響模具的耐磨性能。激光功率及掃描速度對模具工件耐磨性能的影響效果顯著。由此可見,在一定范圍內,當掃描速度一定時,提高功率耐磨性有所增加;在功率一定時,掃描速度的提高也有助于提高耐磨性,可見采用激光強化技術能大大提高材料的耐磨性能。
通過對幾種不同的模具材料所進行的激光強化處理,與實際工況進行檢查,說明采用激光強化技術能大幅度提高模具的使用壽命,而冷沖模的強化效果更為明顯。模具使用壽命明顯增加,實踐由沖壓3.5萬件提高到20萬件,即壽命提高4~5倍。采用激光強化技術優越性在于:可依據模具的形狀特點、使用要求在指定區域內進行,對模具表面質量無損害。采用激光強化處理的模具可直接投入工業使用,降低模具制造成本;用軟件實現激光強化處理工藝參數的自動化、處理過程的仿真和即時監控及處理后表面組織結構和性能的檢測,實現復雜形狀模具的智能化處理。采用熔覆和合金化在低成本金屬模具表面得到其它成分的合金微觀組織,加工得到機械性能優秀的模具,提高模具表面耐磨、耐蝕和耐熱性能。
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